煤田地质与勘探

作者：王俊煜, 柳炳俊, 蒋祥卿, 陈瑞锋, 薛生, 周万龙, 杨云都,

关键词：煤, 甲烷代谢, CO₂封存与利用, 非靶向代谢组学, 厌氧发酵,

背景煤层中广泛存在多种原位功能微生物，一些古菌能够以CO2为底物进行产甲烷代谢，为煤层CO2生物封存与利用提供可能。然而，传统研究主要侧重煤基质降解特性，对于CO2环境下的甲烷化调节机制仍缺乏系统认识。方法以淮南矿区高挥发分烟煤为研究对象，通过实验室尺度下梯度浓度CO2(体积分数0%~100%)厌氧发酵产甲烷实验，结合非靶向代谢组学与微生物组学，系统探究CO2浓度对生物甲烷生成的影响机制，计算CO2消耗量与甲烷生成量以定量解析CO2与CH4之间的转化关系，构建CO2的生物化学转化路径。结果在CO2∶N2=4∶1氛围下(C80组)初步达到最佳阈值，在第45天获得最高产量(268.98 μmol/g煤)，相较CO2∶N2=0∶5氛围下(CK组，189.27 μmol/g煤)提升了42.11%，CO2∶N2=9∶1(C90组)和CO2∶N2=1∶0(C100组)氛围下甲烷产量则出现下降趋势。同时，C80组厌氧瓶顶空中CO2降低了51.71%，1 mL CO2大约增加0.38 mL CH4。随CO2浓度升高至80%，微生物群落中细菌优势属的演化规律发生改变，优势菌属由副梭菌属(Paraclostridium)和肠球菌属(Enterococcus)演替为芽孢杆菌属(Bacillus)和梭菌属(Clostridium)。CO2的添加明显富集了产甲烷古菌，C80组混合营养型八叠球菌属(Methanosarcina)相对丰度增加最为明显。功能基因分析数据也表明了外源CO2的介入明显增加了梭菌Wood−Ljungdahl固碳途径及产甲烷相关基因表达量。对各实验组培养前后液相差异代谢产物分析发现，高CO2浓度促进了与碳固定相关代谢物的合成(腺苷钴胺素a，c二酰胺和DAHP)，加速了煤中芳烃组分的降解。结合微生物群落组成结果、PICRUSt2预测结果及非靶向代谢物分析，最终构建了细菌和古菌协同作用下煤大分子有机物降解耦合CO2−CH4转化的代谢路径。结论研究成果揭示了外源CO2通过三重机制强化生物甲烷生成：(1)富集了氢营养型/混合营养型产甲烷古菌；(2)提高梭菌Wood−Ljungdahl固碳途径基因丰度并促进CO2还原；(3)促进了芳香环裂解代谢与固碳辅因子合成。优化外源CO2注入浓度至80%阈值，以及通过定向富集“梭菌−八叠球菌”协同菌群以激活Wood−Ljungdahl固碳途径，这一发现为煤层气生物工程(coalbed methane bioengineering，CGB)及地质碳封存的生物转化方向提供了理论依据与新的调控策略。

来源：2026年第4期

《煤田地质与勘探》期刊编辑部

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